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Course IPJava: Image Processing with Java
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 Projekt convolution1 mit leerem Fenster Zeichenfläche Buttonleiste Convolution Rangordnungsfilter Noise und Clear Experimente Weitere Aufgaben |
Im Directory C:\temp ein Sub-Directory convolution1 anlegen.
TextPad starten Datei Neu
Leere Datei speichern: Datei Speichern unter C:\temp\convolution1\Convolution1.java
Schreiben Sie folgende Zeilen:
import java.awt.Container;
import java.awt.BorderLayout;
import java.awt.Color;
import javax.swing.JFrame;
public class Convolution1
{
public static void main(String args[])
{
JFrame frame=new JFrame("Convolution and Ranking Filter");
frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
frame.setSize(800,600);
Container cp=frame.getContentPane();
cp.setBackground(Color.WHITE);
cp.setLayout(new BorderLayout());
frame.setVisible(true);
}
}
Übersetzen mit der Tastenkombination Strg+1. Ausführen mit der Tastenkombination Strg+2. Es öffnet sich ein Fenster, das sich nur minimieren, maximieren und schließen lässt. Die Klasse Convolution1 dient also lediglich dem Aufbau unserer GUI und (später) allen notwendigen Objekt-Instantiierungen.
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Beenden Sie das Programm.
Legen Sie eine neue Datei in TextPad an: Datei Neu
Leere Datei speichern: Datei Speichern unter C:\temp\convolution1\DrawArea.java
Schreiben Sie folgende Klasse:
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import javax.swing.JComponent;
import java.util.Arrays;
public class DrawArea extends JComponent
{
int myWidth, myHeight;
int pWidth, pHeight;
final int X_SIZE=11;
final int Y_SIZE=12;
final int[][] conv3Matrix={{0,1,0},
{1,4,1},
{0,1,0}};
final int[][] conv5Matrix={{0, 0, 0, 0, 0},
{0,-1,-1,-1, 0},
{0,-1,10,-1, 0},
{0,-1,-1,-1, 0},
{0, 0, 0, 0, 0}};
byte[][] b=new byte[Y_SIZE][X_SIZE];
Color[] color;
public DrawArea()
{
Dimension size=getSize();
myWidth=size.width;
myHeight=size.height;
addComponentListener(new ComponentAdapter()
{
public void componentResized(ComponentEvent ev)
{
Dimension size=getSize();
myWidth=size.width;
myHeight=size.height;
}
});
fillColorArray();
clear();
}
private void fillColorArray()
{
color=new Color[10];
for(int i=0; i<color.length; i++)
color[i]=new Color(i*25,i*25,i*25);
}
public void paintComponent(Graphics g)
{
super.paintComponent(g);
setPixelMeasuresToArea();
for(int y=0; y<Y_SIZE; y++)
for(int x=0; x<X_SIZE; x++)
{
g.setColor(color[b[y][x]]);
g.fillRect(x*pWidth, y*pHeight, pWidth, pHeight);
}
}
/**
* Sets the pWidth and pHeight to values relative to the current DrawArea
* size.
*/
private void setPixelMeasuresToArea()
{
pWidth=myWidth/X_SIZE;
pHeight=myHeight/Y_SIZE;
}
public void reset()
{
byte[][] tmp={{9,0,0,0,0,0,0,0,0,0,9},
{0,0,0,0,9,9,9,0,0,0,0},
{0,0,0,0,9,5,9,0,0,0,0},
{0,0,0,0,9,9,9,0,0,0,0},
{0,0,0,0,0,9,0,0,0,0,0},
{0,9,9,9,9,9,9,9,9,9,0},
{0,0,0,0,9,9,9,0,0,0,0},
{0,0,0,0,9,9,9,0,0,0,0},
{0,0,0,0,9,0,9,0,0,0,0},
{0,0,0,0,9,0,9,0,0,0,0},
{0,0,0,0,9,0,9,0,0,0,0},
{9,0,0,0,0,0,0,0,0,0,9}};
b=tmp;
}
public void convolution(int z)
{
}
public void ranking()
{
}
public void noise()
{
}
public void clear()
{
}
}
Übersetzen mit Strg+1.
Es wäre ebenso möglich die neue Klasse in die Datei Convolution1.java zu schreiben und nicht in ein extra File zu speichern. Allerdings ist eine zusätzliche Datei wesentlich übersichtlicher.
Nun müssen wir unserem JFrame noch eine Instanz der neuen Klasse als GUI-Komponente zuweisen.
Wechseln Sie dazu in TextPad zur Datei Convolution1: Fenster 1 C:\...\Convolution1.java
Ergänzen Sie die Methode public static void main(String[] args) von Convolution1, so dass sie so aussieht:
public static void main(String[] args)
{
JFrame frame=new JFrame("Faltung und nichtlinearer Rangordnungsfilter");
DrawArea drawArea=new DrawArea();
frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
frame.setSize(800,600);
Container cp=frame.getContentPane();
cp.setBackground(Color.WHITE);
cp.setLayout(new BorderLayout());
cp.add(drawArea);
frame.setVisible(true);
}
Übersetzen mit Strg+1, ausführen mit Strg+2.
Wichtig:
Wenn die Java Runtime Environment eine Java-Klasse ausführt, dann sucht sie automatisch nach der main()-Methode in dieser Klasse. Führen Sie immer nur die Klasse mit der main()-Methode aus - in unserem Fall also immer nur die Klasse Convolution1 - ansonsten erhalten Sie eine Fehlermeldung.
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Beenden Sie das Programm.
Legen Sie eine neue Datei in TextPad an: Datei Neu
Leere Datei speichern: Datei Speichern unter C:\temp\convolution1\ButtonBar.java
Schreiben Sie folgende Klasse:
import java.awt.GridLayout;
import java.awt.event.ActionListener;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.util.HashMap;
import javax.swing.JPanel;
import javax.swing.JButton;
public class ButtonBar extends JPanel
{
static public final String[] BUTTON_NAME={"Homunculus", "Convolution 3x3",
"Convolution 5x5", "Ranking Filter 3", "Noise", "Clear"};
static public final String[] BUTTON_CMD={"drawHomunculus", "useConvolution3",
"useConvolution5", "useRankingFilter", "useNoise", "clearArea"};
JButton[] button=new JButton[BUTTON_NAME.length];
DrawArea drawArea;
int lpMidWeight=1;
public ButtonBar(DrawArea draw)
{
drawArea=draw;
setLayout(new GridLayout(0,1));
ActionListener listener=new ButtonListener();
for(int i=0; i<button.length; i++)
{
button[i]=new JButton(BUTTON_NAME[i]);
button[i].setActionCommand(BUTTON_CMD[i]);
button[i].addActionListener(listener);
add(button[i]);
}
}
//---------------------------------------------------------------------------
class ButtonListener implements ActionListener
{
HashMap commandMap=new HashMap(BUTTON_CMD.length);
public ButtonListener()
{
for(int i=0; i<BUTTON_CMD.length;i++)
commandMap.put(BUTTON_CMD[i], new Integer(i));
}
public void actionPerformed(ActionEvent ev)
{
int cmd=((Integer)commandMap.get(ev.getActionCommand())).intValue();
switch(cmd)
{
case 0:
drawArea.reset();
drawArea.repaint();
break;
}
}
}
}
Übersetzen mit Strg+1.
Nun müssen wir (wie vorher die DrawArea) unserem JFrame noch die Buttonleiste zuweisen.
Wechseln Sie dazu in TextPad zur Datei Convolution1: Fenster 1 C:\...\Convolution1.java
Fügen Sie die folgenden Zeilen als vorletzte Anweisungen (vor die Zeile frame.setVisible(true);) in die Methode public static void main(String[] args) von Convolution1 ein:
ButtonBar buttonBar=new ButtonBar(drawArea);
cp.add(buttonBar, BorderLayout.EAST);
Übersetzen mit Strg+1, ausführen mit Strg+2. Erproben Sie die Buttonleiste. Allerdings funktioniert bisher nur der Button Homunculus.
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Beenden Sie das Programm.
Wechseln Sie in TextPad zur Datei DrawArea: Fenster 2 C:\...\DrawArea.java
Version 2: Erweitern Sie die Methode public void convolution(int z) der Klasse DrawArea, bis sie so aussieht:
public void convolution(int z)
{
int[][] kernel;
if(z==3)
kernel=conv3Matrix;
else if(z==5)
kernel=conv5Matrix;
else
return;
int d=z/2;
int sum, divisor, weight, x, y, xx, yy, xxx, yyy;
float min=Float.MAX_VALUE;
float max=Float.MIN_VALUE;
float gray, factor;
float[][] temp=new float[Y_SIZE][X_SIZE];
for(y=0; y<Y_SIZE; y++)
for(x=0; x<X_SIZE; x++)
{
sum=divisor=0;
for(yy=0; yy<=2*d; yy++)
{
yyy=y+yy-d;
if(yyy<0 || yyy>=Y_SIZE)
continue;
for(xx=0; xx<=2*d; xx++)
{
xxx=x+xx-d;
if(xxx<0 || xxx>=X_SIZE)
continue;
weight=kernel[yy][xx];
sum+=b[yyy][xxx]*weight;
divisor+=weight;
}
}
if(divisor<=1)
gray=(float)sum;
else
gray=(float)sum/(float)divisor;
if(gray>max)
max=gray;
if(gray<min)
min=gray;
temp[y][x]=gray;//can be <0 or even >9
}
//map the calculated values to the interval from 0 till 9
factor=9.f/(max-min);
for(y=0; y<Y_SIZE; y++)
for(x=0; x<X_SIZE; x++)
b[y][x]=(byte)(factor*(temp[y][x]-min));
}
Übersetzen mit Strg+1.
Wechseln Sie in TextPad zur Datei ButtonBar: Fenster 3 C:\...\ButtonBar.java
Schreiben Sie folgende neuen Cases unterhalb des letzten break; von case 0: in der Methode public void actionPerformed(ActionEvent ev) der Event Handler Klasse ButtonListener:
case 1:
drawArea.convolution(3);
drawArea.repaint();
break;
case 2:
drawArea.convolution(5);
drawArea.repaint();
break;
Übersetzen mit Strg+1. Wechseln Sie in TextPad zur Datei Convolution1: Fenster 1 C:\...\Convolution1.java. Ausführen mit Strg+2. Erproben Sie die 2 Faltungen.
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Beenden Sie das Programm.
Wechseln Sie in TextPad zur Datei DrawArea: Fenster 2 C:\...\DrawArea.java
Version 3: Erweitern Sie die Methode public void ranking() der Klasse DrawArea, bis sie so aussieht:
public void ranking()
{
int x, y, xx, yy, n;
byte[] rankingList=new byte[9];
byte[][] temp=new byte[Y_SIZE][X_SIZE];
for(y=0; y<Y_SIZE; y++)
for(x=0; x<X_SIZE; x++)
{
n=0;
for(yy=y-1; yy<=y+1; yy++)
{
if(yy<0 || yy>=Y_SIZE)
continue;
for(xx=x-1; xx<=x+1; xx++)
{
if(xx<0 || xx>=X_SIZE)
continue;
rankingList[n++]=b[yy][xx];
}
}
Arrays.sort(rankingList, 0, n);
temp[y][x]=rankingList[n/2];
}
for(y=0; y<Y_SIZE; y++)
for(x=0; x<X_SIZE; x++)
b[y][x]=temp[y][x];
}
Übersetzen mit Strg+1.
Wechseln Sie in TextPad zur Datei ButtonBar: Fenster 3 C:\...\ButtonBar.java
Schreiben Sie folgenden neuen Case unterhalb des letzten break; von case 2: in der Methode public void actionPerformed(ActionEvent ev) der Event Handler Klasse ButtonListener:
case 3:
drawArea.ranking();
drawArea.repaint();
break;
Übersetzen mit Strg+1. Wechseln Sie in TextPad zur Datei Convolution1: Fenster 1 C:\...\Convolution1.java. Ausführen mit Strg+2. Erproben Sie den Rangordnungsfilter.
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Beenden Sie das Programm.
Wechseln Sie in TextPad zur Datei DrawArea: Fenster 2 C:\...\DrawArea.java
Version 4: Erweitern Sie die Methode public void noise() der Klasse DrawArea, bis sie so aussieht:
public void noise()
{
for(int y=0; y<Y_SIZE; y++)
for(int x=0; x<X_SIZE; x++)
{
int noise=(int)(Math.random()*3)-1;
noise+=b[y][x];
if(noise<0)
b[y][x]=0;
else if (noise>9)
b[y][x]=9;
else
b[y][x]=(byte)noise;
}
}
Erweitern Sie die Methode public void clear() der Klasse DrawArea, bis sie so aussieht:
public void clear()
{
for(int y=0; y<Y_SIZE; y++)
for(int x=0; x<X_SIZE; x++)
b[y][x]=0;
}
Übersetzen mit Strg+1.
Wechseln Sie in TextPad zur Datei ButtonBar: Fenster 3 C:\...\ButtonBar.java
Schreiben Sie folgende neuen Cases unterhalb des letzten break; von case 3: in der Methode public void actionPerformed(ActionEvent ev) der Event Handler Klasse ButtonListener:
case 4:
drawArea.noise();
drawArea.repaint();
break;
case 5:
drawArea.clear();
drawArea.repaint();
Übersetzen mit Strg+1. Wechseln Sie in TextPad zur Datei Convolution1: Fenster 1 C:\...\Convolution1.java. Ausführen mit Strg+2. Erproben Sie Noise (auch mehrfach drücken) und Clear.
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(1) Erproben Sie andere 3x3 Filterkerne:
-2, 1, 1 1, 1,-2 -2, 1, 1 = Filter für linke Kanten 1, 1,-2 = Filter für rechte Kanten -2, 1, 1 1, 1,-2 -2,-2,-2 1, 1, 1 1, 1, 1 = Filter für obere Kanten 1, 1, 1 = Filter für untere Kanten 1, 1, 1 -2,-2,-2 -1,-1,-1 1, 1, 1 -1, 8,-1 = Filter für einsame Pixel 1,-8, 1 = Filter für einsame Lö;cher -1,-1,-1 1, 1, 1
(2) Entwerfen Sie weitere 3x3 Filterkerne speziell für die linke Hand, für die rechte Hand und 5x5 Filterkerne für beide Füße und für den Hals des Homunculus. Bauen Sie diese in die Buttonleiste ein.
(3) Variieren Sie den Homunculus und beobachten Sie die Ergebnisse Ihrer Filterkerne.
(4) Verschieben Sie im Rangordnungsfilter das ausgewählte Pixel (Befehl temp[y][x]=rankingList[n/2];) nach hö;heren oder nach niederen Rangordnungen. Beobachten Sie die Änderungen.
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Lesen sie die JavaTM 2 SDK, Standard Edition Documentation zu den Sprachelementen, die Sie geschrieben haben (siehe: http://java.sun.com/j2se/1.4.1/search.htm). Schauen Sie sich vor allem die Dokumentation zu den Klassen java.awt.GridLayout, java.awt.BorderLayout, javax.swing.JButton, javax.swing.JPanel und java.util.HashMap an. Schauen Sie sich auch die Dokumentation zur Mehtode sort(byte[],int,int) der Klasse java.util.Arrays an.
Erarbeiten Sie sich die Logik der 4 verschachtelten for-Schleifen in der Methode public void convolution(int z).
Programmieren Sie eine vereinfachte Methode myConvolution der festen Grö;ße 3x3.
Erfinden und erproben Sie neue Varianten des Programms in Form von neuen Projekten convolution2, convolution3 usw. nach obigem Muster.
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